Tout d’abord, pourquoi utiliser un variateur de fréquence pour contrôler un moteur ?

Commençons par comprendre brièvement ces deux appareils.

Le moteur est une charge inductive, qui entrave le changement de courant et produira un changement important de courant au démarrage.

Le convertisseur de fréquence est un dispositif de contrôle de puissance qui utilise la fonction marche-arrêt du dispositif à semi-conducteur de puissance pour convertir l'alimentation à fréquence industrielle en une autre fréquence. Il est principalement composé de deux parties du circuit, l'une est le circuit principal (module redresseur, condensateur électrolytique et module onduleur) et l'autre est le circuit de commande (carte d'alimentation à découpage, carte de circuit de commande).

Afin de réduire le courant de démarrage du moteur, notamment pour un moteur de puissance plus élevée, plus la puissance est grande, plus le courant de démarrage est important. Un courant de démarrage excessif imposera une charge plus lourde au réseau d'alimentation et de distribution, et le variateur de fréquence peut résoudre ce problème de démarrage afin que le moteur démarre en douceur sans provoquer de courant de démarrage excessif.

Une autre fonction de l'utilisation du convertisseur de fréquence est d'ajuster la vitesse du moteur. À de nombreuses reprises, il est nécessaire de contrôler la vitesse du moteur pour obtenir une meilleure efficacité de production, et la régulation de la vitesse du variateur de fréquence a toujours été son point fort. Le convertisseur de fréquence peut modifier la fréquence de l'alimentation électrique pour atteindre l'objectif de contrôler la vitesse du moteur.

Quelles sont les méthodes de contrôle de l’onduleur ?

Les cinq manières les plus courantes par lesquelles un variateur contrôle un moteur sont les suivantes :

La tension de sortie de la conversion de fréquence universelle basse tension est de 380 à 650 V, la puissance de sortie est de 0.75 à 400 kW et la fréquence de travail est de 0 à 400 Hz. Son circuit principal adopte un circuit AC-DC-AC. Sa méthode de contrôle a traversé les quatre générations suivantes.

Méthode de contrôle par modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM) 1U/f=C

Il se caractérise par une structure de circuit de commande simple, un faible coût et de bonnes propriétés mécaniques et dureté, qui peuvent répondre aux exigences de régulation de vitesse en douceur de la transmission générale, et a été largement utilisé dans divers domaines de l'industrie.

Cependant, lorsque cette méthode de contrôle est à basse fréquence, en raison de la faible tension de sortie, le couple est considérablement affecté par la chute de tension de la résistance statorique, ce qui réduit le couple de sortie maximal.

De plus, ses caractéristiques mécaniques ne sont pas aussi dures que celles des moteurs à courant continu, et la capacité de couple dynamique et les performances de régulation de vitesse statique ne sont pas satisfaisantes, les performances du système ne sont pas élevées, la courbe de contrôle changera avec le changement de charge et la réponse du couple est lent et le moteur tourne. Le taux d'utilisation du couple n'est pas élevé et les performances diminuent en raison de l'existence de la résistance statorique et de l'effet de zone morte de l'onduleur à basse vitesse, et la stabilité devient mauvaise. Par conséquent, les gens ont développé une régulation de la vitesse de conversion de fréquence à contrôle vectoriel.

Mode de commande du vecteur d'espace de tension (SVPWM)

Il est basé sur le principe de l'effet de génération global de la forme d'onde triphasée et vise à se rapprocher de la trajectoire idéale du champ magnétique rotatif circulaire de l'entrefer du moteur. Il génère une forme d'onde de modulation triphasée en une seule fois et la contrôle de manière à ce qu'un polygone inscrit se rapproche d'un cercle.

Après une utilisation pratique, il a été amélioré, c'est-à-dire que l'introduction de la compensation de fréquence peut éliminer l'erreur de contrôle de vitesse ; l'ampleur de la liaison de flux peut être estimée par rétroaction pour éliminer l'influence de la résistance du stator à basse vitesse ; la tension et le courant de sortie sont en boucle fermée pour améliorer la précision et la stabilité dynamiques. Cependant, il existe de nombreux liens dans le circuit de commande et aucun réglage du couple n'est introduit, de sorte que les performances du système n'ont pas été fondamentalement améliorées.

Mode de contrôle vectoriel (VC)

La pratique de la régulation de la vitesse de conversion de fréquence à contrôle vectoriel consiste à convertir les courants statoriques Ia, Ib et Ic du moteur asynchrone dans le système de coordonnées triphasé en un courant alternatif équivalent Ia1Ib1 dans le système de coordonnées stationnaire biphasé via un système de coordonnées triphasé. -conversion biphasée, puis selon la transformation de rotation d'orientation du champ magnétique du rotor, elle est équivalente au courant continu Im1 et It1 dans le système de coordonnées rotatif synchrone (Im1 est équivalent au courant d'excitation du moteur à courant continu ; It1 est équivalent au courant d'induit proportionnel au couple) puis imite le moteur à courant continu. Dans la méthode de contrôle, la quantité de contrôle du moteur à courant continu est obtenue et le contrôle du moteur asynchrone est réalisé via la transformation inverse de coordonnées correspondante.

Son essence est que le moteur à courant alternatif est équivalent à un moteur à courant continu et que les deux composantes de la vitesse et du champ magnétique sont contrôlées indépendamment. En contrôlant la liaison du flux du rotor, puis en décomposant le courant du stator pour obtenir les deux composantes du couple et du champ magnétique, la transformation de coordonnées peut réaliser le contrôle de quadrature ou de découplage. La proposition d’une méthode de lutte anti-vectorielle est d’une importance historique. Cependant, dans les applications pratiques, en raison de la difficulté d'observer avec précision la liaison du flux du rotor, les caractéristiques du système sont grandement affectées par les paramètres du moteur, et la transformation de rotation vectorielle utilisée dans le processus de commande de moteur à courant continu équivalent est plus compliquée, ce qui rend difficile la l'effet de contrôle réel pour obtenir une analyse idéale. résultat.

Mode de contrôle direct du couple (DTC)

En 1985, le professeur DePenbrock de l'Université de la Ruhr en Allemagne a proposé pour la première fois la technologie de conversion de fréquence à contrôle direct du couple. Cette technologie résout en grande partie les défauts mentionnés ci-dessus du contrôle vectoriel et s'est développée rapidement grâce à de nouvelles idées de contrôle, une structure de système simple et claire et d'excellentes performances dynamiques et statiques.

À l’heure actuelle, cette technologie a été appliquée avec succès à la transmission CA haute puissance de la traction des locomotives électriques. Le contrôle direct du couple analyse directement le modèle mathématique du moteur à courant alternatif dans le système de coordonnées du stator et contrôle la liaison de flux et le couple du moteur. Il n'est pas nécessaire d'assimiler le moteur à courant alternatif à un moteur à courant continu, ce qui permet d'économiser de nombreux calculs compliqués dans la transformation de rotation vectorielle ; il n'est pas nécessaire de simuler le contrôle du moteur à courant continu, ni de simplifier le modèle mathématique du moteur à courant alternatif pour le découplage.

Mode de contrôle matriciel AC-AC

La conversion de fréquence VVVF, la conversion de fréquence à contrôle vectoriel et la conversion de fréquence à contrôle de couple direct sont toutes des conversions de fréquence AC-DC-AC. Leurs inconvénients communs sont un faible facteur de puissance d'entrée, un courant harmonique important, de grands condensateurs de stockage d'énergie pour les circuits CC et l'impossibilité de réinjecter l'énergie régénérative vers le réseau, c'est-à-dire qu'un fonctionnement à quatre quadrants ne peut pas être effectué.

Pour cette raison, la conversion matricielle de fréquence AC-AC a vu le jour. Étant donné que la conversion de fréquence AC-AC matricielle élimine la liaison DC intermédiaire, les condensateurs électrolytiques encombrants et coûteux sont omis. Il peut réaliser que le facteur de puissance est l, que le courant d'entrée est sinusoïdal et peut fonctionner dans quatre quadrants, et que la densité de puissance du système est élevée. Bien que la technologie ne soit pas encore mature, elle attire encore de nombreux chercheurs pour mener des recherches approfondies. Son essence n'est pas de contrôler indirectement le courant, la liaison de flux, etc., mais de réaliser le couple directement en tant que quantité contrôlée.

La méthode spécifique est:

Contrôlez la liaison de flux statorique et introduisez l'observateur de liaison de flux statorique pour réaliser le mode sans capteur de vitesse ;

L'identification automatique (ID) s'appuie sur le modèle mathématique précis du moteur pour identifier automatiquement les paramètres du moteur ;

Calculez la valeur réelle correspondant à l'impédance du stator, à l'inductance mutuelle, au facteur de saturation magnétique, à l'inertie, etc. Calculez le couple réel, la liaison du flux du stator et la vitesse du rotor pour un contrôle en temps réel ;

Réaliser un contrôle bande-bande Selon le contrôle bande-bande de la liaison de flux et du couple, des signaux PWM sont générés pour contrôler l'état de commutation de l'onduleur.

La conversion de fréquence matricielle AC-AC a une réponse de couple rapide (<2 ms), une précision à grande vitesse (±2 %, pas de retour PG) et une précision de couple élevée (<+3 %) ; il a également un couple de vitesse de démarrage élevé et une précision de couple élevée, en particulier à basse vitesse (y compris la vitesse 0), il peut produire un couple de 150 % à 200 %.

Comment un onduleur contrôle-t-il un moteur ? Comment sont câblés les deux ?

Le câblage de l’onduleur pour contrôler le moteur est relativement simple, similaire au câblage du contacteur. Les trois lignes d'alimentation principales entrent puis sortent vers le moteur.

Tout d'abord, jetons un œil aux bornes de l'onduleur. Bien qu'il existe de nombreuses marques et différentes méthodes de câblage, la plupart des bornes de l'onduleur ne sont pas trop différentes. Il est généralement divisé en entrée de commutateur avant et arrière, qui est utilisée pour contrôler la rotation avant et arrière de nombreux moteurs. Le terminal de retour d'informations est utilisé pour donner des informations sur l'état de fonctionnement du moteur, y compris la fréquence de fonctionnement, la vitesse, l'état de défaut, etc. Pour le contrôle de la référence de vitesse, certains variateurs de fréquence utilisent des potentiomètres, tandis que d'autres utilisent directement des clés.

Il est contrôlé par un câblage physique, et une autre façon consiste à passer par le réseau de communication. De nombreux onduleurs prennent désormais en charge le contrôle de la communication. Grâce à cette ligne de communication, le moteur peut être contrôlé pour démarrer et arrêter, avancer et reculer, régler la vitesse, etc., et en même temps les informations de retour sont également transmises via les communications.

Qu'arrive-t-il au couple de sortie d'un moteur lorsque sa vitesse de rotation (fréquence) change ?

Le couple de démarrage et le couple maximum lorsqu'ils sont entraînés par un convertisseur de fréquence sont inférieurs à ceux directement entraînés par une alimentation à fréquence commerciale.

Lorsque le moteur est alimenté par une alimentation à fréquence commerciale, les chocs de démarrage et d'accélération sont très importants, mais lorsque le moteur est alimenté par un convertisseur de fréquence, ces chocs seront plus faibles. Le démarrage direct à fréquence industrielle générera un courant de démarrage important. Lors de l'utilisation d'un convertisseur de fréquence, la tension et la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence sont progressivement ajoutées au moteur, de sorte que le courant de démarrage et l'impact du moteur sont plus petits.

Généralement, le couple produit par le moteur diminue à mesure que la fréquence diminue (la vitesse diminue). Les données réelles réduites seront expliquées dans certains manuels de l'onduleur.

En utilisant le convertisseur de fréquence contrôlé par un vecteur de flux magnétique, le manque de couple à basse vitesse du moteur sera amélioré et le moteur pourra produire un couple suffisant même dans la zone à basse vitesse.

Lorsque le variateur de fréquence est réglé sur une fréquence supérieure à 50 Hz, le couple de sortie du moteur diminue.

Le moteur habituel est conçu et fabriqué selon la tension de 50 Hz, et son couple nominal est également indiqué dans cette plage de tension. Par conséquent, la régulation de vitesse en dessous de la fréquence nominale est appelée régulation de vitesse à couple constant. (T=Te，P<=Pe)

Lorsque la fréquence de sortie du variateur de fréquence est supérieure à 50 Hz, le couple généré par le moteur diminue selon une relation linéaire inversement proportionnelle à la fréquence.

Lorsque le moteur fonctionne à une fréquence supérieure à 50 Hz, la charge du moteur doit être prise en compte pour éviter un couple de sortie moteur insuffisant.

Par exemple, le couple produit par le moteur à 100 Hz sera réduit à environ la moitié du couple produit à 1 Hz.

Par conséquent, la régulation de vitesse au-dessus de la fréquence nominale est appelée régulation de vitesse à puissance constante. (P=Ue*Ie)

Application du convertisseur de fréquence au-dessus de 50 Hz

Comme nous le savons tous, pour un moteur spécifique, sa tension nominale et son courant nominal sont constants.

Par exemple, les valeurs nominales de l'onduleur et du moteur sont toutes deux : 15 kW/380 V/30 A, et le moteur peut fonctionner au-dessus de 50 Hz.

Lorsque la vitesse de rotation est de 50 Hz, la tension de sortie de l'onduleur est de 380 V et le courant est de 30 A. À ce stade, si la fréquence de sortie est augmentée à 60 Hz, la tension et le courant de sortie maximum de l'onduleur ne peuvent être que de 380 V/30 A. Évidemment, la puissance de sortie reste inchangée, c'est pourquoi nous appelons cela une régulation de vitesse à puissance constante.

Quelle est la situation du couple à l’heure actuelle ?

Parce que P = wT (w ; vitesse angulaire, T : couple), parce que P reste inchangé et w augmente, le couple diminuera en conséquence.

On peut aussi le voir sous un autre angle :

Tension du stator du moteur U=E+I*R (I est le courant, R est la résistance électronique, E est le potentiel induit)

On peut voir que lorsque U et I sont inchangés, E est également inchangé.

Et E=k*f*X (k : constante ; f : fréquence ; X : flux magnétique), donc lorsque f passe de 50 à >60 Hz, X diminuera en conséquence

Pour le moteur, T=K*I*X (K : constante ; I : courant ; X : flux), donc le couple T diminuera à mesure que le flux X diminue

En même temps, lorsqu'elle est inférieure à 50 Hz, puisque I*R est très faible, lorsque U/f=E/f est constant, le flux magnétique (X) est constant. Le couple T est proportionnel au courant. C'est pourquoi la capacité de surcharge (couple) de l'onduleur est généralement décrite par sa capacité de surintensité, et elle est appelée régulation de vitesse à couple constant (le courant nominal ne change pas -> le couple maximum ne change pas)

Conclusion : lorsque la fréquence de sortie du variateur augmente au-dessus de 50 Hz, le couple de sortie du moteur diminue

Autres facteurs liés au couple de sortie

La capacité de génération et de dissipation de chaleur détermine la capacité de courant de sortie de l'onduleur, affectant ainsi la capacité de couple de sortie de l'onduleur.

Fréquence porteuse : généralement, le courant nominal de l'onduleur est basé sur la fréquence porteuse la plus élevée, ce qui peut garantir une sortie continue à la température ambiante la plus élevée. Si la fréquence porteuse est réduite, le courant du moteur ne sera pas affecté. Mais l’échauffement des composants sera réduit.

Température ambiante : Le simple fait qu'il détecte que la température ambiante est relativement basse n'augmentera pas la valeur du courant de protection de l'onduleur.

Altitude : À mesure que l’altitude augmente, cela affecte à la fois la dissipation thermique et les performances d’isolation. Généralement, il peut être ignoré en dessous de 1000 5 m, et il suffit de réduire la capacité de 1000 % tous les XNUMX XNUMX m au-dessus.

Quelle est la fréquence appropriée pour que le variateur de fréquence contrôle le moteur ?

Dans l'arrangement ci-dessus, nous avons appris pourquoi l'onduleur est utilisé pour contrôler le moteur et comment l'onduleur contrôle le moteur. Le variateur de fréquence contrôle le moteur, et cela peut être résumé en deux points : premièrement, le variateur de fréquence contrôle la tension et la fréquence de démarrage du moteur ; permet un démarrage et un arrêt en douceur ; Deuxièmement, utilisez le convertisseur de fréquence pour régler la vitesse du moteur et ajustez la vitesse du moteur en changeant la fréquence.